Innowacyjne projekty wykorzystujące nowoczesne nadprzewodniki wkrótce umożliwią kontrolowaną fuzję termojądrową, twierdzą niektórzy optymiści. Eksperci przewidują jednak, że praktyczne zastosowanie zajmie kilkadziesiąt lat.
Dlaczego to takie trudne?
Energia syntezy jest uważana za potencjalne źródło energii na przyszłość. To jest czysta energia atomu. Ale co to jest i dlaczego tak trudno to osiągnąć? Na początek musimy zrozumieć różnicę między klasycznym rozszczepieniem jądrowym a fuzją termojądrową.
Rozszczepienie atomu następuje, gdy radioaktywne izotopy - uran lub pluton - są rozszczepiane i przekształcane w inne wysoce radioaktywne izotopy, które następnie muszą być zakopane lub poddane recyklingowi.
Reakcja fuzji polega na tym, że dwa izotopy wodoru - deuter i tryt - łączą się w jedną całość, tworząc nietoksyczny hel i jeden neutron, bez wytwarzania odpadów radioaktywnych.
Problem z kontrolą
Reakcje, którewystąpić na Słońcu lub w bombie wodorowej – to fuzja termojądrowa, a inżynierowie stają przed trudnym zadaniem – jak kontrolować ten proces w elektrowni?
To jest coś, nad czym naukowcy pracowali od lat 60. XX wieku. Kolejny eksperymentalny reaktor termojądrowy o nazwie Wendelstein 7-X został uruchomiony w północnoniemieckim mieście Greifswald. Nie jest jeszcze zaprojektowany do wywoływania reakcji - to tylko specjalny projekt, który jest testowany (stellarator zamiast tokamaka).
Plazma wysokoenergetyczna
Wszystkie instalacje termojądrowe mają wspólną cechę – pierścieniowy kształt. Opiera się na idei wykorzystania potężnych elektromagnesów do wytworzenia silnego pola elektromagnetycznego w kształcie torusa – napompowanej dętki rowerowej.
To pole elektromagnetyczne musi być tak gęste, że po podgrzaniu w kuchence mikrofalowej do miliona stopni Celsjusza w samym środku pierścienia musi pojawić się plazma. Następnie jest zapalany, aby można było rozpocząć fuzję.
Demonstracja możliwości
W Europie trwają obecnie dwa takie eksperymenty. Jednym z nich jest Wendelstein 7-X, który niedawno wygenerował swoją pierwszą plazmę helową. Drugi to ITER, ogromny eksperymentalny obiekt syntezy jądrowej na południu Francji, który wciąż jest w budowie i będzie gotowy do uruchomienia w 2023 r.
Zakłada się, że prawdziwe reakcje jądrowe zajdą w ITER, jednak tylko wna krótki okres czasu i na pewno nie dłużej niż 60 minut. Ten reaktor to tylko jeden z wielu kroków w kierunku urzeczywistnienia fuzji jądrowej.
Reaktor fuzyjny: mniejszy i mocniejszy
Niedawno kilku projektantów ogłosiło nowy projekt reaktora. Według grupy studentów z Massachusetts Institute of Technology, a także przedstawicieli koncernu zbrojeniowego Lockheed Martin, fuzję można przeprowadzić w obiektach znacznie potężniejszych i mniejszych niż ITER i są gotowi to zrobić w ciągu dziesięciu lat.
Ideą nowego projektu jest zastosowanie nowoczesnych nadprzewodników wysokotemperaturowych w elektromagnesach, które wykazują swoje właściwości po schłodzeniu ciekłym azotem, a nie konwencjonalnych, wymagających ciekłego helu. Nowa, bardziej elastyczna technologia pozwoli na całkowite przeprojektowanie reaktora.
Klaus Hesch, odpowiedzialny za technologię syntezy jądrowej w Instytucie Technologii w Karlsruhe w południowo-zachodnich Niemczech, jest sceptyczny. Wspiera stosowanie nowych nadprzewodników wysokotemperaturowych w nowych projektach reaktorów. Ale według niego nie wystarczy opracować coś na komputerze, biorąc pod uwagę prawa fizyki. Niezbędne jest uwzględnienie wyzwań, które pojawiają się przy wprowadzaniu pomysłu w życie.
Sci-fi
Według Hesha, model studenta MIT pokazuje tylko możliwość projektu. Ale w rzeczywistości jest to dużo science fiction. Projektsugeruje, że poważne problemy techniczne syntezy jądrowej zostały rozwiązane. Ale współczesna nauka nie ma pojęcia, jak je rozwiązać.
Jednym z takich problemów jest idea zwijanych cewek. Elektromagnesy można zdemontować, aby dostać się do pierścienia, który utrzymuje plazmę w modelu projektowym MIT.
Byłoby to bardzo przydatne, ponieważ można uzyskać dostęp do obiektów w systemie wewnętrznym i je zastąpić. Ale w rzeczywistości nadprzewodniki są wykonane z materiału ceramicznego. Setki z nich muszą być splecione w wyrafinowany sposób, aby uformować właściwe pole magnetyczne. I tu pojawiają się bardziej fundamentalne trudności: połączenia między nimi nie są tak proste, jak połączenia kabli miedzianych. Nikt jeszcze nie pomyślał o koncepcjach, które pomogłyby rozwiązać takie problemy.
Za gorąco
Wysoka temperatura również stanowi problem. W jądrze plazmy termojądrowej temperatura osiągnie około 150 milionów stopni Celsjusza. To ekstremalne ciepło pozostaje na miejscu - w samym środku zjonizowanego gazu. Ale nawet wokół niego wciąż jest bardzo gorąco - od 500 do 700 stopni w strefie reaktora, czyli wewnętrznej warstwie metalowej rury, w której "reprodukuje" tryt niezbędny do zajścia fuzji jądrowej
Reaktor termojądrowy ma jeszcze większy problem – tak zwane uwalnianie mocy. Jest to część systemu, która otrzymuje zużyte paliwo, głównie hel, z procesu syntezy jądrowej. Pierwszymetalowe elementy, do których dostaje się gorący gaz, nazywane są „kierownikami”. Może nagrzewać się do ponad 2000°C.
Problem z przekierowaniem
Aby zakład mógł wytrzymać te temperatury, inżynierowie próbują wykorzystać metalowy wolfram używany w staromodnych żarówkach. Temperatura topnienia wolframu wynosi około 3000 stopni. Ale są też inne ograniczenia.
W ITER można to zrobić, ponieważ ogrzewanie w nim nie występuje stale. Zakłada się, że reaktor będzie działał tylko 1-3% czasu. Ale to nie jest opcja dla elektrowni, która musi działać 24 godziny na dobę, 7 dni w tygodniu. A jeśli ktoś twierdzi, że jest w stanie zbudować mniejszy reaktor o takiej samej mocy jak ITER, to można śmiało powiedzieć, że nie ma rozwiązania problemu z dywertorem.
Elektrownia za kilka dekad
Jednak naukowcy są optymistycznie nastawieni do rozwoju reaktorów termojądrowych, jednak nie będzie to tak szybkie, jak przewidują niektórzy entuzjaści.
ITER powinien pokazać, że kontrolowana fuzja może w rzeczywistości wytworzyć więcej energii niż byłoby wydawane na ogrzewanie plazmy. Następnym krokiem jest zbudowanie zupełnie nowej hybrydowej elektrowni demonstracyjnej, która faktycznie wytwarza energię elektryczną.
Inżynierowie już pracują nad jego projektem. Będą musieli uczyć się od ITER, którego uruchomienie zaplanowano na 2023 r. Biorąc pod uwagę czas potrzebny na projektowanie, planowanie i budowę, wydaje sięjest mało prawdopodobne, że pierwsza elektrownia termojądrowa zostanie uruchomiona znacznie wcześniej niż w połowie XXI wieku.
Zimna fuzja Rossiego
W 2014 r. niezależny test reaktora E-Cat wykazał, że urządzenie wytwarzało średnio 2800 watów mocy wyjściowej w ciągu 32 dni przy zużyciu 900 watów. To więcej niż jakakolwiek reakcja chemiczna jest w stanie wyizolować. Wynik mówi albo o przełomie w fuzji termojądrowej, albo o jawnym oszustwie. Raport rozczarował sceptyków, którzy wątpią, czy test był rzeczywiście niezależny i sugerują możliwość zafałszowania wyników testu. Inni byli zajęci odkrywaniem „tajnych składników”, które umożliwiają fuzji Rossi replikację technologii.
Rossi jest oszustem?
Andrea jest imponująca. Publikuje odezwy dla świata w unikalnym języku angielskim w sekcji komentarzy na swojej stronie internetowej, pretensjonalnie nazywanej Journal of Nuclear Physics. Ale jego poprzednie nieudane próby obejmowały włoski projekt przetwarzania odpadów na paliwo i generator termoelektryczny. Petroldragon, projekt polegający na przetwarzaniu odpadów w energię, poniósł porażkę, ponieważ nielegalne składowanie odpadów jest kontrolowane przez włoską przestępczość zorganizowaną, która wniosła przeciwko niej oskarżenie o naruszenie przepisów dotyczących gospodarowania odpadami. Stworzył także urządzenie termoelektryczne dla Korpusu Inżynierów Armii USA, ale podczas testów gadżet wytwarzał tylko ułamek deklarowanej mocy.
Wielu nie ufa Rossiemu, a redaktor naczelny New Energy Times bez ogródek nazwał go przestępcą mającym za sobą szereg nieudanych projektów energetycznych.
Niezależna weryfikacja
Rossi podpisał kontrakt z amerykańską firmą Industrial Heat na przeprowadzenie całorocznego tajnego testu 1-MW instalacji do zimnej syntezy jądrowej. Urządzenie było kontenerem transportowym wypełnionym dziesiątkami E-Catów. Eksperyment musiał być kontrolowany przez osobę trzecią, która mogła potwierdzić, że wytwarzanie ciepła rzeczywiście miało miejsce. Rossi twierdzi, że spędził większość ostatniego roku praktycznie mieszkając w kontenerze i nadzorując operacje przez ponad 16 godzin dziennie, aby udowodnić komercyjną opłacalność E-Cat.
Test zakończył się w marcu. Zwolennicy Rossiego z niecierpliwością oczekiwali na raport obserwatorów, licząc na uniewinnienie swojego bohatera. Ale w końcu dostali pozew.
Spór sądowy
W zgłoszeniu do sądu na Florydzie Rossi twierdzi, że test zakończył się pomyślnie, a niezależny arbiter potwierdził, że reaktor E-Cat wytwarza sześć razy więcej energii niż zużywa. Twierdził również, że Industrial Heat zgodził się zapłacić mu 100 milionów dolarów – 11,5 miliona dolarów z góry po 24-godzinnym okresie próbnym (rzekomo za prawa licencyjne, aby firma mogła sprzedać technologię w USA) i kolejne 89 milionów dolarów po pomyślnym zakończeniu rozszerzonego próba w ciągu 350 dni. Rossi oskarżył IH o prowadzenie „oszukańczego programu”którego celem była kradzież jego własności intelektualnej. Oskarżył również firmę o sprzeniewierzenie reaktorów E-Cat, nielegalne kopiowanie innowacyjnych technologii i produktów, funkcjonalności i projektów oraz nadużywanie patentu na jego własność intelektualną.
Kopalnia Złota
Gdzie indziej Rossi twierdzi, że w jednej ze swoich demonstracji IH otrzymał 50-60 milionów dolarów od inwestorów i kolejne 200 milionów od Chin po powtórce z udziałem czołowych chińskich urzędników. Jeśli to prawda, w grę wchodzi znacznie więcej niż sto milionów dolarów. Industrial Heat odrzucił te twierdzenia jako bezpodstawne i zamierza się aktywnie bronić. Co ważniejsze, twierdzi, że „pracowała przez ponad trzy lata, aby potwierdzić wyniki, które Rossi rzekomo osiągnął dzięki swojej technologii E-Cat, bez powodzenia”.
IH nie wierzy w E-Cat, a New Energy Times nie widzi powodu, by w to wątpić. W czerwcu 2011 roku przedstawiciel publikacji odwiedził Włochy, przeprowadził wywiad z Rossim i sfilmował pokaz jego E-Cat. Dzień później zgłosił swoje poważne obawy dotyczące metody pomiaru mocy cieplnej. Po 6 dniach dziennikarz opublikował swój film na YouTube. Eksperci z całego świata przysłali mu analizy, które zostały opublikowane w lipcu. Stało się jasne, że to mistyfikacja.
Potwierdzenie eksperymentalne
Jednak wielu badaczy - Alexander Parkhomov z Rosyjskiego Uniwersytetu Przyjaźni Narodów i Projektu Pamięci Martina Fleishmana (MFPM) -udało się odtworzyć zimną termojądrową fuzję Rosji. Raport MFPM został zatytułowany „Zbliża się koniec ery węgla”. Powodem takiego zachwytu było odkrycie wybuchu promieniowania gamma, którego nie da się wytłumaczyć inaczej niż reakcją termojądrową. Według naukowców Rossi ma dokładnie to, co mówi.
Otwarta, realna recepta na zimną fuzję może wywołać energetyczną gorączkę złota. Można znaleźć alternatywne metody obejścia patentów Rossiego i powstrzymania go od wielomiliardowego biznesu energetycznego.
Może więc Rossi wolałby uniknąć tego potwierdzenia.
